Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng cách tử quang sợi bragg với chu kỳ nanô trong kỹ thuật sensor nhiệt độ và vi dịch chuyển

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ --------------------- TRẦN THÀNH CÔNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁCH TỬ QUANG SỢI BRAGG VỚI CHU KỲ NANO TRONG KỸ THUẬT SENSOR NHẠY NHIỆT ĐỘ VÀ VI DỊCH CHUYỂN Người hướng dẫn: PGS,TS Trần Thị Tâm Hà Nội – 2008 1 MỤC LỤC Lời cảm ơn .......................................................................................................... i Lời cam đoan ..................................................................................................... ii Danh mục các bảng biểu ................................................................................... iii Danh mục các hình vẽ, đồ thị...............................................................................iii Danh mục các từ viết tắt.......................................................................................iv MỤC LỤC ......................................................................................................... 1 MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 4 CHƢƠNG 1: SƠ LƢỢC VỀ SỢI QUANG ........................................................ 6 1.1. Sơ lược về sợi quang............................................................................... 6 1.1. 1. Các thông số về sợi quang ............................................................... 6 1.1.2. Sự biến đổi chiết suất của sợi quang ................................................ 7 1.1.3. Cấu trúc sợi quang ............................................................................ 7 1.1.4. Một số phương pháp chế tạo sợi quang ............................................ 8 1.1.5. Phân loại sợi quang .......................................................................... 8 1.2. Các loại cách tử ................................................................................... 10 1.2.1. Cách tử răng cưa ............................................................................ 10 1.2.2. Cách tử hình sin ............................................................................. 10 1.2.3. Cách tử lớp...................................................................................... 10 1.2.4. Cách tử Bragg ................................................................................. 11 1.2.5. Cách tử quang sợi Bragg ................................................................ 11 CHƢƠNG2: CÁCH TỬ QUANG SỢI BRAGG .............................................. 12 2.1. Khái niệm cách tử quang sợi Bragg (FBG)........................................ 12 2.2. Các tính chất của cách tử quang sợi Bragg ........................................ 12 2.2.1. Các tính chất chung ........................................................................ 12 2.2.2. Sự phụ thuộc của bước sóng Bragg vào nhiệt độ và sự kéo căng .. 13 2.3. Chế tạo cách tử quang sợi Bragg ......................................................... 15 2.3.1. Vật liệu để chế tạo cách tử quang sợi Bragg ................................ 15 2.3.2. Các kỹ thuật quang khắc cách tử quang sợi Bragg ........................ 16 2 2.4 Các loại cách tử đặc biệt ....................................................................... 21 2.5. Ứng dụng của cách tử quang sợi Bragg .............................................. 23 2.5.1. Bộ lọc bước sóng và WDM ............................................................ 23 2.5.2. Thiết bị bù tán sắc ........................................................................... 24 2.5.3. Thiết bị laser và khuyếch đại quang ............................................... 24 2.5.4. Thiết bị sensor ................................................................................. 25 CHƢƠNG 3: CÁC SENSOR DỰA TRÊN CÁCH TỬ QUANG SỢI BRAGG 26 3.1. Các loại sensor dựa trên cách tử quang sợi Bragg ............................ 26 3.1.1. Sensor đo độ căng .......................................................................... 26 3.1.2. Sensor đo dịch chuyển .................................................................... 27 3.1.3. Sensor đo nhiệt độ........................................................................... 28 3.1.4. Sensor đo áp suất ........................................................................... 29 3.1.5. Sensor đo gia tốc ............................................................................. 29 3.1.6. Sensor đo sóng âm ......................................................................... 30 3.2. Một số hướng nghiên cứu đáng quan tâm về sensor dựa trên FBG .. 32 3.2.1.Các phương pháp phân tích số liệu tích hợp ................................... 32 3.2.2.Các phương pháp phân tách, đo kết hợp nhiều thông số ................ 34 3.2.3.Tích hợp FBG trong các cấu trúc và các hệ vật liệu thông minh.... 36 3.3. Những ưu điểm chính của sensor dựa trên cách tử FBG .................. 37 3.3.1. Kích thước nhỏ ............................................................................... 37 3.3.2. Khả năng đa tích hợp cao ............................................................... 37 3.3.3.Không bị nhiễu loạn bởi điện trường .............................................. 38 3.3.4. Khả năng ứng dụng đa dạng .......................................................... 38 3.3.5. Lắp đặt dễ dàng và giá thành rẻ ..................................................... 38 3.3.6. Khả năng đo đạc ở những khoảng cách xa .................................... 38 3.3.7. Tuổi thọ cao .................................................................................... 38 3.4. Thị trường của sensor dựa trên cách tử FBG ..................................... 38 CHƢƠNG 4: CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT SENSOR ĐO VI DỊCH CHUYỂN VÀ NHIỆT ĐỘ DỰA TRÊN CÁCH TỬ QUANG SỢI BRAGG .................... 41 4.1. Sensor đo vi dị ch chuyển ...................................................................... 41 3 4.1.1. Thiết kế ........................................................................................... 41 4.1.2. Chế tạo ............................................................................................ 42 4.1.3. Nguyên tắc hoạt động ..................................................................... 44 4.1.4. Kết quả thực nghiệm ....................................................................... 45 4.2. Khảo sát độ nhạy nhiệt độ của cách tử quang sợi Bragg ................. 47 4.2.1. Nguyên tắc ..................................................................................... 47 4.3.2. Thực nghiệm ................................................................................... 47 4.2.3. Về vấn đề nâng cao độ nhạy của sensor nhiệt độ FBG .................. 49 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 55 iii Danh mục các bảng biểu Bảng 1. Hệ số giãn nở nhiệt của một số loại vật liệu Bảng 2. Hệ số giãn nở nhiệt ảo tính theo k Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình1.1. Cấu trúc của một sợi quang Hình 1.2. Cầu trúc của một đơn mode Hình 1.3. Cấu trúc của sợi quang đa mode Hình 1.4. Sự truyền sóng trong các sợi quang khác nhau Hình 2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cách tử Bragg Hình 2.2. Sự điều biến hệ số chiết suất của lõi sợi quang Hình 2.3. Ảnh của vật liệu loại chế tạo từ TEOS nguyên chất Hình 2.4: Hạt nano zieconia trong vật liệu lai ASZ Hình 2.5. Sơ đồ khảo sát sự giao thoa giữa hai tia sáng S 1 và S2 Hình 2.6. Sơ đồ khảo sát sự giao thoa của hai chùm tia Hình 2.7. Chế tạo sợi quang bằng phương pháp giao thoa hai chùm tia Hình 2.8. Quy trình chế tạo FBG bằng mặt nạ quang Hình 2.9 . Hình ảnh một thiết bị quang khắc Hình.2.10. Hình ảnh một hệ quang khắc Hình 2.11. Cấu trúc của một số loại cách tử FBG Hình 2.12. Phổ phản xạ của một số loại cách tử Hình 2.13. Một hệ WDM có sử dụng cách tử Bragg quang sợi Hình 3.1. Hình ảnh về sensor đo độ căng của nhóm Hideaki và cộng sự Hình 3.2. Một số loại sensor đo sức căng trên thị trường Hình 3.3. Sơ đồ một sensor đo dịch chuyển cỡ rộng Hình 3.4. Cấu trúc của một loại sensor đo nhiệt độ Hình 3.5. Cấu trúc của sensor đo áp suất Hình 3.6. Cấu trúc của sensor đo gia tốc Hình 3.7. Sóng âm gây nên sự biến dạng cách tử khi truyền qua Hình 3.8 . Tín hiệu sóng âm thu nhận bởi sensor dựa trên FBG Hình 3.9. Sơ đồ mạng 5x12 sensor được nhận biết bằng phương pháp bẫy tín hiệu Hình 3.10. Kỹ thuật dùng phổ tán sắc Hình 3.11. Sơ đồ mạng sensor sử dụng phương pháp TDM/WDM iv Hình 3.12. Cấu trúc của một hệ đo đồng thời áp suất và nhiệt độ Hình 3.13. So sánh kích thước của một sensor đo độ căng FBG và một sensor điện tử tương đương Hình 3.14. Rất nhiều sensor FBG có thể được tích hợp trong một mạng lưới. Hình 3.15. Các sensor FBG được sử dụng để theo dõi chất lượng đường ống dẫn dầu Hình 4.1. Mô hình đơn giản của sensor đo vi dịch chuyển dựa trên cách tử FBG Hình 4.2. Bản thiết kế chi tiết cấu trúc của sensor đo vi dịch chuyển sử dụng FBG Hình 4.3. Cơ cấu của hệ cơ học trước khi lắp đặt sợi quang Hình 4.4. Hệ khảo sát hoạt động của sensor đo vi dịch chuyển Hình 4.5. Phổ phản xạ của cách tử tại hai mức dịch chuyển khác nhau Hình 4.6. Đồ thị biểu diễn sự chuyển dịch của bước sóng Bragg theo độ dịch chuyển Hình 4.7. Sơ đồ hệ thí nghiệm khảo sát độ nhạy nhiệt độ của cách tử quang sợi Bragg Hình 4.8. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi bước sóng theo nhiệt độ Hình 4.9. Phổ phản xạ của cách tử Bragg tại các nhiệt độ khác nhau Hình 4.10. Sơ đồ mô tả hai loại vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau Hình 4.11. Cấu trúc nhằm tăng cường độ nhạy của sensor đo nhiệt độ Danh mục các từ viết tắt FBG: Cách tử quang sợi Bragg 4 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, vấn đề kiểm soát độ bền các công trình xây dựng và các kiến trúc dân sinh đang ngày càng đƣợc quan tâm, đòi hỏi phải có sự theo dõi độ biến dạng của các kết cấu theo thời gian. Thêm vào đó là sự biến động về địa chất tạo ra các vết nứt đất ảnh hƣởng tới độ bền của các công trình xây dựng , kiến trúc dân sinh. Ít nhiều chúng đã gây ra những thảm hoạ thiên nhiên gây thiệt hại to lớn cho con ngƣời. Một vấn đề lớn đƣợc đặt ra là làm sao có thể ghi nhận và dự đoán trƣớc đƣợc những sự thay đổi đó, kể cả trong các lớp địa tầng, địa chất để có thể giảm thiểu tối đa thiệt hại? Một trong những câu trả lời là phải tiến hành đo độ biến dạng, đo độ vi dịch chuyển của lớp địa tầng nơi khảo sát, của các kết cấu xây dựng, từ đó đƣa ra các giải pháp phòng ngừa thích hợp. Sensor sử dụng cách tử Bragg là một loại sensor hiện đại, mới đƣợc phát triển trong khoảng 20 năm gần đây. Với hàng loạt những ƣu điểm nổi bật nhƣ dễ chế tạo, độ nhạy cao, dễ lắp đặt, không chịu ảnh hƣởng của điện từ trƣờng, khả năng đa tích hợp lớn [27,29], loại sensor này đang ngày càng tỏ ra có một thị trƣờng tiềm năng to lớn. Đặc biệt, nó rất hữu ích trong các kỹ thuật đo từ xa, đo trên diện rộng[4,24], hay trong việc kiểm soát các thông số của các lớp địa tầng, địa chất, các công trình xây dựng, cầu cống, hầm mỏ[2]. Sensor sử dụng cách tử Bragg cũng đã đƣợc nghiên cứu nhằm ứng dụng trong các ngành công nghiệp hạt nhân [3], công nghiệp vũ trụ[15]. Thêm vào đó, khả năng ứng dụng của sensor sử dụng cách tử quang sợi Bragg cũng rất đa dạng. Sử dụng cách tử Bragg có thể chế tạo các loại sensor đo dịch chuyển, sức căng, nhiệt độ, áp suất [8,34,30]..vv với độ chính xác khá cao. Nhƣ vậy, ta có thể thấy rằng tiềm năng ứng dụng của các sensor dựa trên cách tử Bragg là rất lớn, từ những ứng dụng thƣờng gặp trong đời sống hàng ngày đến những ứng dụng trong các lĩnh vực đặc biệt, từ các ngành công nghiệp truyền thống nhƣ cầu cống, hầm mỏ đến những ngành công nghiệp hiện đại nhƣ công nghiệp hạt nhân, hàng không vũ trụ...v.v Chính vì thế mà nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới đã tập trung nghiên cứu nhằm phát triển ngành sensor dựa trên loại cách tử quang sợi Bragg này. Nắm bắt đƣợc xu thế này, ở Việt Nam hiện nay, đã có một số nhóm bƣớc đầu triển khai các đề tài nghiên cứu nhằm sử dụng cách tử Bragg trong kỹ thuật sensor, chẳng hạn nhƣ nhóm nghiên cứu của PGS. TS. Nguyễn Văn Hội, Viện Khoa học Vật liêu, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Đi cùng xu thế nghiên cứu ấy và nhận thấy đƣợc tầm quan trọng của lĩnh vực nghiên cứu này, hơn nữa, các điều kiện để triển khai nghiên cứu lại không hề tốn kém, 5 đòi hỏi kỹ thuật cao cũng nhƣ đầu tƣ đắt tiền, nghĩa là việc triển khai đề tài nghiên cứu này hoàn toàn phù hợp với điều kiện nghiên cứu của Việt Nam. Do đó, tôi đã chọn đề tài này để nghiên cứu với mục tiêu thiết lập những kỹ thuật bƣớc đầu nhằm chế tạo các loại sensor đo vi dịch chuyển với độ nhạy tới cỡ vài µm và sensor đo nhiệt độ với độ nhạy tới 2oC. Hy vọng rằng trong tƣơng lai không xa, có thể đƣa đƣợc những kỹ thuật này ứng dụng trong thực tế để khảo sát sự biến dạng ở một số khu vực địa tầng, địa chất nhất định. Nội dung của luận văn đƣợc chia làm bốn chƣơng: Chƣơng 1. Sơ lƣợc về dẫn sóng quang và sợi quang Chƣơng 2. Cách tử quang sợi Bragg Chƣơng 3.Các sensor dựa trên cách tử quang sợi Bragg Chƣơng 4. Chế tạo sensor vi dịch chuyển và nhiệt độ dựa trên cách tử Bragg Cuối cùng là phần kết luận và một số đề xuất hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai nhằm cải thiện hơn nữa chất lƣợng của thiết bị. Luận văn này đƣợc thực hiện trong khuôn khổ của đề tài: QC.06.23, ĐHQG Hà Nội. 6 CHƢƠNG 1 SƠ LƢỢC VỀ SỢI QUANG 1.1. Sơ lƣợc về sợi quang 1.1. 1. Các thông số về sợi quang Sợi quang gồm một lõi dẫn có chiết suất n1, bán kính a. Lớp vỏ cũng là vật liệu dẫn quang bao xung quanh lõi có chiết suất n2 và có bán kính b. Các tham số n1, n2, a quyết định tính chất truyền dẫn của sợi quang. Đó là các tham số cấu trúc. Các chiết suất n1 và n2 khác nhau rất ít nên độ lệch chiết suất tỷ đối ∆ thƣờng rất nhỏ (∆<<1) Δ n12  n22 n1  n2 n   n1 n1 2n12 (1.1) Phần lớn các sợi quang dùng trong thông tin quang hiện nay thƣờng đƣợc chế tạo từ Silica (SiO2) có độ sạch cao. Sự thay đổi nhỏ của chiết suất đƣợc tạo ra khi pha một lƣợng nhỏ các tạp chất (ví dụ nhƣ titan, germani…) vào trong silica. Bình thƣờng, chiết suất của có giá trị thay đổi từ 1,44 đến 1,46, còn ∆ có giá trị trong khoảng 0,001 tới 0,02. Khi chùm ánh sáng từ bên ngoài không khí đi vào, để có thể lan truyền trong sợi quang thì góc θ phải nhỏ hơn một góc θc giới hạn. Áp dụng định luật Snell, mối tƣơng quan giữa góc tới từ không khí θa và góc khúc xạ tới hạn θc cần phải thỏa mãn phƣơng trình sau: sin θa = n1sin θc (1.2) với điều kiện phản xạ toàn phần từ thành của lõi sợi quang giữa hai môi trƣờng có chiết suất n1 và n2 ta có: sin  a  n1 (1  cos 2 c )1/ 2 = ( n12  n22 )1/ 2 (1.3) Bởi vậy:  a  arcsin(n12 -n 22 )1/2 (1.4) Giá trị NA= đƣợc gọi là khẩu độ số của sợi quang. Góc θa là góc nhận của sợi quang, đây là thông số quyết định cho việc thiết kế hệ kết hợp cho ánh sáng ra và vào sợi quang. Khẩu độ số là thông số đặc trƣng cho sự ghép nối hiệu quả giữa nguồn laser với sợi quang. Giá trị khẩu độ số thƣờng nằm trong khoảng từ 0,14 đến 0,50. Kích thƣớc của lõi và vỏ các sợi quang tiêu chuẩn hiện nay đƣợc dùng trong thông tin (2a/2b) là (8/125), (50/125), (62,5/125), (85/125), (100/140) μm. 7 Nếu sợi quang là sợi đơn mode thì nó chỉ có một mode lan truyền. Bƣớc sóng nhỏ nhất tại đó sợi quang làm việc nhƣ sợi đơn mode đƣợc gọi là bƣớc sóng cắt: 2 a n12  n22 c  2.045 (1.5) 1.1.2. Sự biến đổi chiết suất của sợi quang Sự biến thiên chiết suất của có thể biểu thị thông qua công thức sau: r a n(r)= n1 1  2( ) g với -a≤r≤a n(r)=n2 với r  a (1.6) (1.7) Ngày nay có rất nhiều vật liệu chế tạo sợi quang, song các sợi quang đƣợc sử dụng thông dụng trong viễn thông đều đƣợc chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh có chiết suất là: n=  r  1,5 (1.8) Trong đó εr là hằng số điện môi tƣơng ứng của vật liệu. Khi muốn thay đổi chiết suất thì trong quá trình chế tạo lõi và vỏ sợi, chẳng hạn từ thuỷ tinh, thạch anh, ngƣời ta thêm hoạt chất vào, ví dụ: -cho GeO2 làm tăng chiết suất -Cho Fluoride làm giảm chiết suất. 1.1.3. Cấu trúc sợi quang Cấu trúc chính của một sợi quang bao gồm lõi pha tạp đƣợc bọc bên trong một lớp thuỷ tinh. Chiết suất của lõi lớn hơn chiết suất của lớp bọc để tạo ra sự phản xạ toàn phần giữa mặt phân cách giữa lõi và lớp bọc. Hình vẽ dƣới đây (1.1) chỉ ra cấu trúc điển hình của một sợi quang. Lớp phủ hay lớp bảo vệ thứ nhất có tác dụng bảo vệ sợi quang chống lại sự xâm nhập của hơi nƣớc, tránh sự va đập, trầy xƣớc gây nên vết nứt vỡ và giảm ảnh hƣởng của vi uốn cong. Lớp vỏ có tác dụng tăng cƣờng sức chịu đựng của sợi quang trƣớc các tác động cơ học và sự thay đổi nhiệt độ. 8 Sợi quang 0,9mm Lớp phủ Lớp đệm mềm Lớp vỏ Cấu trúc sợi quang có vỏ đệm tổng hợp Hình1.1. Cấu trúc của một sợi quang 1.1.4. Một số phương pháp chế tạo sợi quang Vật liệu thích hợp nhất để chế tạo sợi quang là sợi thuỷ tinh. Thuỷ tinh đƣợc tạo ra từ các hỗn hợp oxit kim loại nóng chảy, sulfide hoặc selenide. Chúng tạo ra một vật liệu sợi có cấu trúc mạng phân tử liên kết hỗn hợp. Loại thuỷ tinh trong suốt tạo ra các sợi dẫn quang chính là thuỷ tinh ôxit, trong đó đioxit silic (SiO 2) là loại ôxit thông dụng nhất để chế tạo sợi quang. Nó có chỉ số chiết suất tại bƣớc sóng 850 nm là 1,458. Công nghệ chế tạo sợi quang thông thƣờng bao gồm hai giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất là giai đoạn công nghệ lắng đọng hơi tạo ra một hình trụ có chiết suất phản xạ mong muốn. Giai đoạn thứ hai, sản phẩm của giai đoạn một đƣợc đƣa tới một lò nấu thuỷ tinh với một tốc độ thích hợp-giai đoạn tạo phôi. Tại giai đoạn thứ nhất có nhiều công nghệ có thể sử dụng chẳng hạn nhƣ công nghệ MCVD (modified chemical vapor deposition-công nghệ lắng đọng có điều khiển từ pha hơi), công nghệ OVD (outer vapor deposition-lắng đọng hơi bên ngoài) và VAD (công nghệ lắng đọng pha hơi theo trục) nhƣng ngƣời ta thƣờng sử dụng công nghệ MCVD. Những lớp SiO2 đƣợc lắng đọng bên trong lớp thuỷ tinh nóng chảy bằng cách pha trộn với hơi SiCl4 và O2 tại nhiệt độ khoảng 1800 oC. Để đảm bảo về độ đồng nhất thì ngƣời ta sử dụng những dây truyền tịnh tiến. Chiết suất của lớp vỏ đƣợc quyết định bằng việc pha fluourrine vào ống tuýp. Khi đã lắng đọng xong chiều dày lớp vỏ , lớp lõi đƣợc hình thành bằng việc thêm vào hơi GeCl4 hoặc POCl3 , việc thêm này quyết định chiết suất của lớp lõi. Lúc này nếu thêm vào hơi ErCl3 thì ta có sợi quang pha tạp erbium. Nhƣ vậy quá trình chế tạo sợi quang pha tạp erbium giống nhƣ quá trình chế tạo các sợi quang thông thƣờng, chỉ có ở quá trình lắng đọng ngƣời ta đã thêm vào hơi ErCl3. 1.1.5. Phân loại sợi quang Ngƣời ta có thể phân loại sợi quang theo nhiều cách. Sau đây là một số cách phân loại tiêu biểu: 9 Phân loại theo vật liệu điện môi Theo vật liệu điện môi dùng để chế tạo sợi quang, sợi quang đƣợc phân ra làm 3 loại bao gồm: Sợi quang thạch anh Sợi quang thuỷ tinh đa vật liệu Sợi quang bằng nhựa. Phân loại theo mode lan truyền: Theo số lƣợng mode lan truyền, sợi quang đƣợc phân loại làm hai nhóm: Sợi đơn mode, gọi tắt là SM (single mode) là loại sợi chỉ có một mode lan truyền. 10μm n2 n1 ∆ = 0,3% 125 μm Hình 1.2. Cấu trúc của một đơn mode Sợi đa mode, gọi tắt là MM (multi mode): là loại sợi có nhiều mode lan truyền. 50μ m 50μ m n1 n1 n2 ∆ = 1% n2 125μm Sợi đa mode SI 125μm ∆ = 1% Sợi đa mode GI Hình 1.3. Cấu trúc của sợi quang đa mode Phân loại theo phân bố chiết suất: Các sợi quang có thể phân chia làm hai nhóm theo phân bố chiết suất của lõi sợi: Sợi quang có chiết suất nhảy bậc SI (step index). Trong sợi quang SI, chiết suất của lõi không đổi. Vì n1> n2 nên tại mặt phân cách của lõi-vỏ, chiết suất có bƣớc nhảy. Sợi quang có chiết suất gradient từ lõ ra vỏ GI (graded-index) 10 Trong sợi quang GI, chiết suất n1 của lõi đạt giá trị lớn nhất tại tâm lõi và giảm dần từ trong ra ngoài cho đến mặt phân cách lõi-vỏ thì bằng chiết suất n2 của vỏ. Sợi quang đa mode có thể có chiết suất nhảy bậc hoặc chiết suất giảm dần. Hình 1.4. Sự truyền sóng trong các sợi quang khác nhau 1.2. Các loại cách tử Trong quang học, cách tử nhiễu xạ có bề mặt gồm những dãy song song cách đều nhau trong không gian là một thiết bị phản xạ hoặc truyền qua đối với ánh sáng. Khi ánh sáng truyền tới cách tử thì xảy ra hiện tƣợng nhiễu xạ và giao thoa, ánh sáng bị phản xạ hoặc truyền qua theo các hƣớng khác nhau hay còn gọi là các bậc khác nhau. Cách tử có thể đƣợc dùng nhƣ một linh kiện lọc lựa bƣớc sóng. Thƣờng có các loại cách tử sau: 1.2.1. Cách tử răng cưa Có bề mặt gồm những rãnh hình răng cƣa.Vùng giữa những rãnh sẽ phản xạ những ánh sáng tới theo những hƣớng nhất định để có đƣợc cƣờng độ nhiễu xạ lớn nhất. Bƣớc sóng mà tại đó hiệu suất của cách tử là lớn nhất phụ thuộc vào mặt góc của các rãnh (khe). 1.2.2. Cách tử hình sin Có bề mặt là những rãnh hình sin đối xứng .Hiệu suất của cách tử có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số và chiều cao h của những rãnh hình sin này. Trong lĩnh vực điện từ (λ/d>0,7 va h/d>0,3), cách tử hình sin cho những giá tri hiệu suất nhƣ là cách tử răng cƣa . 1.2.3. Cách tử lớp 11 Cách tử lớp có đặc trƣng là bề mặt cách tử gồm những rãnh hình chữ nhật . Những hình chữ nhật này đƣợc xác định bởi chiều cao „‟h‟‟ và cách nhau bởi khoảng cách „‟V‟‟ .Cách tử này có ƣu điểm là có khả năng khử bậc 2 của nhiễu xạ ( hiệu suất là 2 % tai V= 1 ).Hiệu suất này có thể thay đổi khi thay đổi khoảng cách „‟V‟‟. 1.2.4. Cách tử Bragg Công thức Bragg cho nhiễu xạ tia X (cũng nhƣ là nhiễu xạ Bragg) đƣợc William Henry Bragg và William Lawrence Bragg đƣa vào năm 1913 cùng với những khám phá của họ về khả năng phản xạ tia X của tinh thể rắn .Họ đã tìm ra rằng những tinh thể rắn có mạng tinh thể đƣợc sắp sếp theo chu kỳ tuần hoàn có khả năng phản xạ ánh sáng tới với những bƣớc sóng và góc tới nhất định theo những hƣớng nhất định sẽ cho những đỉnh có cƣờng độ lớn nhất (đỉnh Bragg). 1.2.5. Cách tử quang sợi Bragg Cách tử quang sợi Bragg là cách tử có thể phản xạ ánh sáng nhờ sự biến đổi tuần hoàn hệ số chiết suất của sợi quang . Cách tử quang sợi đƣợc chế tạo bằng cách quang khắc lên sợi quang thông qua quá trình chiếu bƣớc sóng của chùm laser có bƣớc sóng thích hợp lên sợi quang . 12 CHƢƠNG2 CÁCH TỬ QUANG SỢI BRAGG 2.1. Khái niệm cách tử quang sợi Bragg (FBG) Cách tử quang sợi Bragg [7, 21,17] là một thiết bị có chiết suất tuần hoàn dọc theo một sợi quang, có tính chất lọc lựa ánh sáng. Khi một chùm ánh sáng có dải bƣớc sóng rộng chiếu vào cách tử Bragg, cách tử sẽ cho qua một phần lớn ánh sáng, còn một phần ánh sáng có dải bƣớc sóng hẹp sẽ bị phản xạ ngƣợc trở lại, dải ánh sáng này có bƣớc sóng trung tâm gọi là bƣớc sóng Bragg. Bƣớc sóng Bragg phụ thuộc vào cách tử theo phƣơng trình : λB = 2 n Λ (2.1) Trong đó, neff là chỉ số khúc xạ và  là độ dài của bƣớc cách tử. Trong các cách tử phổ biến, chiết suất n có giá trị vào khoảng 1,46. Còn chu kỳ (bƣớc) cách tử có độ dài vào khoảng một vài trăm nm. Hình 2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cách tử quang sợi Bragg 2.2. Các tính chất của cách tử quang sợi Bragg 2.2.1. Các tính chất chung Cách tử quang sợi Bragg có thể cách ly hoặc cho qua những mode lan truyền giống nhƣ một bộ lọc dƣới ánh sáng tới . Nó tác động nhƣ một phin lọc cắt tại bƣớc sóng gọi là bƣớc sóng Bragg λB. Biểu thức cho mối tƣơng quan giữa bƣớc sóng Bragg và các thông số của cách tử trong bậc gần đúng thứ nhất là : λB = 2nΛ (2.2) Trong đó neff là hệ số chiết suất hiệu dụng của cách tử, Λ là chu kỳ của cách tử quang sợi. Sự biến điệu của hệ số chiết suất của lõi đƣợc chỉ ra trên hình 2.2. 13 Biến điệu hệ số chiết suất của lõi chứa hai thành phần : thành phần liên tục và thành phần xoay chiều. 2 (2.3)  neff ( z )   neff ( z ).1  cos( z+(z))   neff sự thay đổi thành phần một chiều của chiết suất trung bình, ν là độ nhìn thấy của các vân giao thoa, Φ là độ gợn sóng của cách tử.  neff Vùng cách tử O z Hình 2.2. Sự điều biến hệ số chiết suất của lõi sợi quang Khả năng lọc tần số là do có sự kết hợp giữa các mode lan truyền ngƣợc nhau. Trong biểu thức kết hợp, ta có thể tách ra một tham số chủ yếu đặc trƣng cho sự lọc lựa, hệ số kết hợp k. Ta có biểu thức sau đây:  (2.4)  Độ phản xạ của cách tử quang sợi Bragg [5] là hàm của bƣớc sóng và chiều dài cách tử đƣợc viết nhƣ sau: k    neff sinh 2  N (V ) n0 1   2 N  /     PB ( )  2  2 cosh  (V ) n0 1   NA /     2   (2.5) 2.2.2. Sự phụ thuộc của bước sóng Bragg vào nhiệt độ và sự kéo căng Xuất phát từ công thức cơ bản biểu diễn sự phụ thuộc của bƣớc sóng Bragg vào chiết suất và độ dài bƣớc cách tử: λB=2nΛ (2.6) Từ công thức trên ta nhận thấy rằng vì chiết suất n và độ dài Λ của bƣớc cách tử đều chịu sự thay đổi khi có sự thay đổi của nhiệt độ hay một sức căng nào đó tác động lên nó, do đó, bƣớc sóng Bragg cũng sẽ có sự biến đổi theo công thức:      n  n B  2    n n  l  2    T l  T   l  T (2.7) Ta lần lƣợt khảo sát sự biến đổi của λB theo nhiệt độvà độ căng. 14 Từ công thức : λB=2nΛ  ΔλB= 2nΔΛ +2ΛΔn   n  2n  2  T T T  T 1 n  2n  2n ( )  T T n T  1 n  2n[  ( ) ]  T n T 1 n ]T    2n[  ( ) n T Nhƣ vậy 1 dn   2n    ( ) n dT  T Trong đó α là hệ số giãn nở nhiệt, (2.8) dn là hệ số quang-nhiệt (thermo-optic) của dT vật liệu chế tạo cách tử. Chúng ta cần chú ý rằng trong những loại cách tử khác nhau, các hệ số α, n, dn là khác nhau. Trong trƣờng hợp phổ biến, chúng thƣờng có giá trị dT lần lƣợt là 0,55.10-6/oC, 1,46 và 11.10-6/oC. Từ đó ta có thể dễ dàng ƣớc lƣợng đƣợc rằng độ nhạy của cách tử trần vào khoảng 0,0105 nm/ oC tại bƣớc sóng 1300nm và khoảng 0,0125 nm/oC tại bƣớc sóng 1550 nm. Tiếp theo, ta xét sự biến đổi của λB theo độ căng (độ biến dạng): Sự thay đổi của λB theo độ căng là do có sự thay đổi chiều dài dọc theo trục sợi quang và do hiệu ứng quang đàn hồi. Ngƣời ta đã chứng minh đƣợc rằng sự phụ thuộc đó đƣợc cho bởi công thức:   (1  pe )B (2.9) Trong đó, ε là độ biến dạng, pe là hệ số quang đàn hồi đƣợc xác định bởi công thức: pe  ( n2 )  p12  ( p11  p12 ) 2 (2.10) Với pi,j là các hệ số Pockel của tensor biến dạng-quang (strain-optic), ν là tỷ số Poisson. Các giá trị điển hình thƣờng gặp là ν =0,2 ; p11= 0,113 ; p12 =0,252 ; n = 1,46  [29]. Bởi vậy giá trị thƣờng vào khoảng 0,001051 nm/µε tại 1300 nm và khoảng  0,001254 tại 1550 nm. Một cách tổng quát, sự thay đổi của bƣớc sóng λB theo nhiệt độ và độ căng có thể đƣợc biểu diễn bởi phƣơng trình: B  2n 1  ( n2 1 dn  )  p12  ( p11  p12 )      ( )   T  (2.11) 2 n dT  15 Nhƣ vậy ta đã thiết lập đƣợc phƣơng trình miêu tả sự phụ thuộc của λB vào sự thay đổi của nhiệt độ và độ căng. Đó là xuất phát cho hầu hết các ứng dụng của cách tử FBG trong kỹ thuật sensor. Chi tiết hơn về các ứng dụng này sẽ đƣợc đề cập ở dƣới. 2.3. Chế tạo cách tử quang sợi Bragg 2.3.1. Vật liệu để chế tạo cách tử quang sợi Bragg [26] Trong tự nhiên tồn tại một số những hợp chất nhất định mà chiết suất của nó bị biến đổi khi đƣợc chiếu sáng. Những chất đó gọi là những chất nhạy quang. Ngƣời ta đã lợi dụng điều đó để tạo nên những cấu trúc quang học có chiết suất phân bố nhƣ ý muốn. Hƣớng nghiên cứu tìm hiểu về tính nhạy quang của các loại vật liệu là một hƣớng nghiên cứu quan trọng. Trong kỹ thuật chế tạo cách tử quang sợi Bragg thì vật liệu nhạy quang đóng một vai trò hết sức quan trọng và đã luôn đƣợc quan tâm nghiên cứu nhằm ngày một hoàn thiện. Việc nghiên cứu này cũng gắn liền với công nghệ chế tạo các sợi quang dẫn sóng. Trong giai đoạn đầu tiên, các sợi quang đƣợc sử dụng trong truyền dẫn quang hầu hết đƣợc làm từ vật liệu thủy tinh silica. Do đó, ngay lúc đầu ngƣời ta đã tập trung nghiên cứu nhằm tạo ra các chất nhạy quang trên nền vật liệu này. Ngƣời ta đã phát hiện ra rằng khi pha tạp các tạp chất chẳng hạn nhƣ Germani, Boron, Tin, đất hiếm ...vv có thể tạo ra đƣợc hiện tƣợng nhạy quang. Những thành tựu công nghệ ngày nay đã có thể tạo ra những chất nhạy quang có khả năng thay đổi chiết suất xuống tới 10 -15. Ngày nay, trong việc chế tạo các dẫn sóng quang, có một hƣớng nghiên cứu quan trọng là sử dụng các vật liệu polymer làm vật liệu truyền dẫn thay vì thủy tinh nhƣ trƣớc đây. Sử dụng polymer có một số ƣu điểm nổi bật nhƣ là giá thành chế tạo rẻ, dễ ghép nối[1]. Đi cùng với xu thế ấy, ngƣời ta cũng có xu hƣớng sử dụng các vật liệu polymer để chế tạo cách tử Bragg. Khi đƣợc chiếu sáng, các mạch moneme sẽ liên kết với nhau để tạo nên một mạch lớn hơn, gọi là quá trình polyme hóa, đồng thời xảy ra quá trình hình thành các liến kết dọc giữa các vật liệu. Chính điều này đã làm cho chiết suất của vật liệu polymer bị thay đổi khi đƣợc chiếu sáng. Bởi vì công nghệ dẫn sóng quang trên cơ sở vật liệu polymer mới đƣợc phát triển trong thời gian gần đây cho nên hầu hết sự tập trung trƣớc đó nhằm phát triển vật liệu nhạy quang là dành cho sợi quang thủy tinh. Vị trí dành cho sợi quang polyme hoàn toàn chỉ ở một mức độ nào đó. Tại Việt Nam thời gian vừa qua cũng đã có một hƣớng nghiên cứu rất mạnh nhằm sử dụng các vật liệu polymer làm vật liệu dẫn sóng quang [1]. Trong công trình nghiên cứu này, các tác giả đã tạo ra những vật liệu nhạy quang trên cơ sở polymer. Đó là những kết quả thiết thực đƣa tới khả năng có thể chế tạo các cách tử Bragg hoàn toàn bằng công nghệ và vật liệu của Việt Nam. Hơn nữa, là chế tạo bằng vật liệu polymer chức năng, một loại vật liệu tiên tiến. Dƣới đây là một vài hình ảnh của loại vật liệu đƣợc chế tạo tại Việt Nam này. 16 Hình 2.3. Ảnh của vật liệu loại chế Hình 2.4: Hạt nano zieconia trong tạo từ TEOS nguyên chất[1] vật liệu lai ASZ[1] Một số tính chất của vật liệu dẫn sóng quang ASZ đƣợc chế tạo tại Việt Nam.  Khoảng điều chỉnh chiết suất lớn: 1.45-1.50  Có tính nhạy quang (chùm UV) và có thể tăng chiết suất màng đến 0.009 (khi chiếu chùm bƣớc sóng 330 nm)  Độ phân cực vật liệu nhỏ: nTE- nTM  0.001  Tổn hao lan truyền ánh sáng trong dẫn sóng tầng: 0.5-1.0 dB/cm tại bƣớc sóng 1538 nm.  Hệ số quang nhiệt lớn: dn/dT  - 2.3x10-4  Chiều dày màng thay đổi lớn: từ 100 nm đến 10 m và đồng nhất  Bám dính tốt trên đế silica, silicon, thuỷ tinh và ổn định 2.3.2. Các kỹ thuật quang khắc cách tử quang sợi Bragg Về cơ bản, cách tử quang sợi Bragg là một cấu trúc có tính chất tuần hoàn về chiết suất. Ở trên đây ta đã nói có thể dùng sự chiếu sáng để làm thay đổi chiết suất của các vật liệu nhạy quang. Chính vì thế mà các kỹ thuật để chế tạo cách tử quang sợi Bragg về cơ bản đều dựa trên cơ sở tạo ra các chùm tia sáng có sự phân bố cƣờng độ một cách tuần hoàn hoặc có thể đƣợc chiếu xạ một cách tuần hoàn trong không gian. Khi tạo ra đƣợc các điều kiện đó, ta hoàn toàn có thể đƣa sợi quang có chứa vật liệu nhạy quang vào các vùng này, khi ấy hiện tƣợng biến đổi chiết suất sẽ xảy ra, tạo ra trên sợi quang một cấu trúc cách tử Bragg. Có nhiều cách để tạo ra các điều kiện đó, chẳng hạn có thể dùng phổ giao thoa của hai chùm tia, dùng mặt nạ, hoặc dùng một tia sáng rất mảnh chiếu một cách ngắt quãng đều đặn lên sợi quang. Dƣới đây, ta sẽ lần lƣợt xét từng cách thức đó. 17 2.3.2.1. Kỹ thuật dùng phổ giao thoa của hai chùm tia Giao thoa ánh sáng là hiện tƣợng hai hay nhiều ánh sáng kết hợp với nhau trong không gian tạo thành các vùng có ánh sáng đƣợc tăng cƣờng hay giảm bớt. Giả sử từ hai nguồn S1 và S2 phát ra hai nguồn ánh sáng có tính chất kết hợp kết hợp với nhau, nghĩa là chúng cùng tần số, và cùng pha dao động, đƣợc mô tả bởi M phƣơng trình: r1 S1 E1= Eosin(ωt+α) (2.13) E2= Eosin(ωt+α) r2 a S2 D (2.14) O E Hình 2.5. Sơ đồ khảo sát sự giao thoa giữa hai tia sáng S1 và S2 Hai sóng này truyền tới điểm M trên màn E, ta hãy khảo sát cƣờng độ điện trƣờng tổng hợp tại điểm đó. Tại điểm M, pha của hai sóng ánh sáng đã sai khác với pha ban đầu một góc nào đó. Ta có thể hiểu sự sai khác này chính là do pha của dao động phải mất một thời gian mới có thể truyền tới điểm M, nhƣ vậy pha của hai dao động tại M sẽ chậm hơn pha dao động của nguồn đúng bằng thời gian để sóng ánh sáng từ hai nguồn truyền tới M. Khi đó chúng ta có các phƣơng trình mô tả dao động sáng tại điểm M: E‟1= Eosin{ω(t-t1)+α}=Eosin{2πν(t- r1 )+α} =Eosin(2πνt-2  r1 +α) (2.15)   r r E‟2= Eosin{ω(t-t2)+α}= Eosin{2πν(t- 2 )+α} =Eosin(2πνt-2 2 +α) (2.16)   2 r r Độ lệch pha giữa hai sóng này là: (2.17)  1 2 Do hiệu số r1  r2 thay đổi khi ta dịch chuyển điểm M dọc theo màn E, do đó độ lệch pha giữa hai sóng cũng sẽ thay đổi dọc theo màn E. Ta sẽ thu đƣợc những vị trí mà tại đó các sóng cùng pha với nhau, tại đó xảy ra hiện tƣợng cực đại giao thoa (vân sáng), các vị trí ấy cần thỏa mãn điều kiện:   2 r  r  k 2 => r1  r2 =kλ (2.18)  1 2 Còn những điểm mà tại đó hai dao động sáng ngƣợc pha nhau , tại đó xảy ra hiện tƣợng cực tiểu giao thoa (vân tối), các vị trí ấy thỏa mãn điều kiện: 2    r1  r2  (2k  1) => r1  r2 =(2k+1) (2.19)  2 Bây giờ ta sẽ xét cụ thể xem các điểm cực đại và cực tiểu giao thoa ấy phân bố nhƣ thế nào trên màn E. Trƣớc hết dễ nhận thấy rằng tại điểm O nằm chính giữa trên màn E, hai sóng ánh sáng có cùng pha do hiệu đƣờng đi của chúng bằng không. Do